หุ้น:
ตัวนำความร้อน 7 หลัก
ตัวนำความร้อน สิ่งที่สำคัญคือโลหะและเพชรคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะคอมโพสิตเมทริกซ์คาร์บอนคาร์บอนกราไฟต์และเซรามิกคอมโพสิตเมทริกซ์.
การนำความร้อนเป็นคุณสมบัติของวัสดุที่อธิบายถึงความสามารถในการนำความร้อนและสามารถกำหนดเป็น: "ปริมาณของความร้อนที่ส่งผ่านความหนาของหน่วยของวัสดุ - ในทิศทางปกติไปยังพื้นผิวพื้นที่หน่วย - เนื่องจาก การไล่ระดับอุณหภูมิของหน่วยภายใต้สภาวะคงที่ "(The Engineering ToolBox, SF).
กล่าวอีกนัยหนึ่งการนำความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานความร้อนระหว่างอนุภาคของสสารที่สัมผัส การนำความร้อนเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคของสสารร้อนนั้นชนกับอนุภาคที่เย็นกว่าและถ่ายโอนพลังงานความร้อนบางส่วนไปยังอนุภาคที่เย็นกว่า.
การขับรถเร็วกว่าปกติในของแข็งและของเหลวมากกว่าในก๊าซ วัสดุที่เป็นตัวนำความร้อนที่ดีนั้นเรียกว่าตัวนำความร้อน.
โลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดีโดยเฉพาะอย่างยิ่งเพราะมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและสามารถถ่ายโอนพลังงานความร้อนได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย (CK-12 Foundation, S.F. ).
โดยทั่วไปตัวนำไฟฟ้าที่ดี (โลหะเช่นทองแดงอลูมิเนียมทองคำและเงิน) ก็เป็นตัวนำความร้อนที่ดีในขณะที่ฉนวนไฟฟ้า (ไม้พลาสติกและยาง) เป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี.
พลังงานจลน์ (เฉลี่ย) ของโมเลกุลในร่างกายที่อบอุ่นสูงกว่าในร่างกายที่เย็นที่สุด หากโมเลกุลสองโมเลกุลชนกันการถ่ายเทพลังงานจากโมเลกุลร้อนถึงความเย็นจะเกิดขึ้น.
ผลสะสมของการชนทั้งหมดส่งผลให้เกิดกระแสความร้อนจากร่างกายที่อบอุ่นไปสู่ร่างกายที่เย็นที่สุด (SantoPietro, S.F. ).
วัสดุการนำความร้อนสูง
วัสดุการนำความร้อนสูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการนำความร้อนเพื่อให้ความร้อนหรือเย็น หนึ่งในความต้องการที่สำคัญที่สุดคืออุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์.
เนื่องจากการย่อขนาดและเพิ่มพลังงานของไมโครอิเล็กทรอนิกส์การกระจายความร้อนเป็นกุญแจสำคัญในความน่าเชื่อถือประสิทธิภาพและการย่อขนาดของไมโครอิเล็กทรอนิกส์.
การนำความร้อนขึ้นอยู่กับคุณสมบัติหลายอย่างของวัสดุโดยเฉพาะโครงสร้างและอุณหภูมิ.
สัมประสิทธิ์ของการขยายตัวทางความร้อนมีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากมันบ่งบอกถึงความสามารถของวัสดุที่จะขยายตัวด้วยความร้อน.
โลหะและเพชร
ทองแดงเป็นโลหะที่ใช้กันมากที่สุดเมื่อต้องการค่าการนำความร้อนสูง.
อย่างไรก็ตามทองแดงถือว่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนสูง (CTE) โลหะผสม Invar (64% Fe ± 36% Ni) มีค่าต่ำมากใน CET ระหว่างโลหะ แต่มีค่าการนำความร้อนต่ำมาก.
เพชรมีความน่าสนใจมากกว่าเนื่องจากมีค่าการนำความร้อนสูงมากและมีค่า CET ต่ำ แต่มีราคาแพง (ค่าการนำความร้อน, S.F).
อลูมิเนียมไม่ได้เป็นสื่อนำไฟฟ้าเหมือนกับทองแดง แต่มีความหนาแน่นต่ำซึ่งเป็นที่น่าสนใจสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อากาศยานและแอพพลิเคชั่น (เช่นแล็ปท็อป) ที่ต้องการน้ำหนักเบา.
โลหะเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้า เพชรและวัสดุเซรามิกที่เหมาะสมสามารถใช้กับงานที่ต้องการการนำความร้อนและฉนวนไฟฟ้า แต่ไม่ใช่โลหะ.
สารประกอบเมทริกซ์โลหะ
วิธีหนึ่งในการลด CTE ของโลหะคือการสร้างคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะโดยใช้ฟิลเลอร์ CTE ที่ต่ำ.
สำหรับจุดประสงค์นี้ใช้อนุภาคเซรามิกเช่น AlN และซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) เนื่องจากมีการรวมกันของการนำความร้อนสูงและ CTE ต่ำ.
เนื่องจากฟิลเลอร์มักจะมีค่า CTE ที่ต่ำกว่าและค่าการนำความร้อนต่ำกว่าเมทริกซ์โลหะค่าสัดส่วนของประจุไฟฟ้าในคอมโพสิตที่สูงขึ้นค่า CTE ที่ต่ำกว่าและค่าการนำความร้อนที่ต่ำกว่า.
สารประกอบคาร์บอนเมทริกซ์
คาร์บอนเป็นเมทริกซ์ที่น่าสนใจสำหรับสารประกอบการนำความร้อนเนื่องจากค่าการนำความร้อน (แม้ว่าจะไม่สูงเท่ากับโลหะ) และ CTE ต่ำ (ต่ำกว่าโลหะ).
นอกจากนี้คาร์บอนยังทนทานต่อการกัดกร่อน (ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าโลหะ) และมีน้ำหนักเบา.
ข้อดีอีกอย่างของเมทริกซ์คาร์บอนคือความเข้ากันได้กับเส้นใยคาร์บอนตรงกันข้ามกับปฏิกิริยาทั่วไประหว่างเมทริกซ์โลหะและประจุ.
ดังนั้นคาร์บอนไฟเบอร์จึงเป็นสารตัวเติมที่เด่นชัดสำหรับคอมโพสิตเมทริกซ์ของคาร์บอน.
คาร์บอนและกราไฟท์
วัสดุคาร์บอนเต็มรูปแบบที่ผลิตโดยการรวมของคาร์บอนสารตั้งต้นที่มุ่งเน้นโดยไม่ต้องสารยึดเกาะและ carbonization ที่ตามมาและ graphitization ตัวเลือกมีการนำความร้อนระหว่าง 390 และ 750 W / mK ในไฟเบอร์ของวัสดุ.
วัสดุอีกชนิดหนึ่งคือ pyrolytic graphite (เรียกว่า TPG) ที่ห่อหุ้มอยู่ในเปลือกโครงสร้าง กราไฟต์ (พื้นผิวที่มีแกน c ของแกนตั้งฉากกับระนาบของกราไฟต์) มีการนำความร้อนในระนาบ 1700 W / m K (ทองแดงสี่เท่า) แต่มีกลไกอ่อนแอเนื่องจากแนวโน้มที่จะ ตัดในระนาบไฟท์.
สารประกอบเมทริกซ์เซรามิก
เมทริกซ์แก้ว borosilicate น่าสนใจเนื่องจากค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ (4.1) เมื่อเทียบกับ AlN (8.9), alumina (9.4), SiC (42), ของ BeO (6.8), ลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์ (7.1), เพชร (5.6) และสำหรับแก้ว±เซรามิก (5.0).
ค่าต่ำสุดของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ในทางกลับกันแก้วมีค่าการนำความร้อนต่ำ.
เมทริกซ์ SiC นั้นน่าสนใจเพราะมีค่า CTE สูงเมื่อเปรียบเทียบกับเมทริกซ์คาร์บอนแม้ว่าจะไม่เป็นสื่อนำความร้อนเท่ากับคาร์บอน.
CTE ของสารประกอบคาร์บอน + คาร์บอนต่ำเกินไปส่งผลให้อายุการใช้งานลดความเหนื่อยล้าในการใช้งานชิพบนบอร์ด (ซัง) ด้วยชิพซิลิกา.
คอมโพสิตคาร์บอน SiC เมทริกซ์ประกอบด้วยสารประกอบคาร์บอนคาร์บอนแปลงเมทริกซ์คาร์บอนเป็น SiC (Chung, 2001).
การอ้างอิง
- Chung, D. (2001) วัสดุสำหรับการนำความร้อน. วิศวกรรมความร้อนประยุกต์ 21 , 1593 ± 1605.
- มูลนิธิ CK-12 ( S.F. ). ตัวนำความร้อนและฉนวน. สืบค้นจาก ck12.org: ck12.org.
- SantoPietro, D. (S.F. ). การนำความร้อนคืออะไร? สืบค้นจาก khanacademy: khanacademy.org.
- กล่องเครื่องมือวิศวกรรม ( S.F. ). การนำความร้อนของวัสดุและก๊าซทั่วไป. ดึงมาจาก engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.